JPS63290952A - 酸素濃度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸素濃度検出器、特に燃焼ガス中の酸素濃度を
検出して車両の空燃比を制御するに最適な酸素濃度検出
器に関するものである。

〔従来の技術〕

安定化ジルコニアのような固体電解質を使用して、固体
電解質シートの両面に標準電極と検出電極とをそれぞれ
形成し、これらの電極をそれぞれ圧力の異なる酸素と接
触させることにより、酸素イオンを移動させて酸素濃度
を検出する酸素濃度検出器が使用されている。

例えば「ニス・ニー・イーＪ　　（ＳＡＥ）、Ｎ０８５
０３７８　（１９８５）ｐ５３〜５９に、この種の積層
形酸素濃度検出器に関する記載が認められる。

ここに記載されている積層形酸素濃度検出器は、Ｙ２Ｏ
３をドープして低温域まで正方晶系を安定に保持させた
安定化ジルコニアシートの両面に、白金の標準電極と検
出電極とがそれぞれ形成された検出素子を具備している
。また、アルミナシートに白金で発熱体と導出電極部が
形成され、これらの発熱体及び導出電極部上にアルミナ
シートが積層されたヒータ素子を具備している。

前記せる文献に記載されている積層形酸素濃度検出器に
おいては、イツトリア安定化ジルコニアシートを積層し
て枠体が形成され、大気導入口部分において前述せる検
出素子とヒータ素子とが、直接接合されて積層焼成され
た構造となっている。

このような構造の酸素濃度検出器において、検出素子の
イツトリア安定化ジルコニア材は、Ｙ２Ｏ３の添加量に
よって電気抵抗率が変化するために、所定の検出出力電
流値を得るようにＹ２Ｏ３の添加量が選択されている。

一方で、イツトリア安定化ジルコニア材の膨張係数は、
Ｙ２Ｏ，の添加量により変化することが知られており、
例えば添加量５ｍｏｌ　％と６　ｍｏｌ　％とではｌ０
ＸＩＯ−７／　’　Ｃの膨張係数差が生じる場合がある
。また、イツトリア安定化ジルコニア材においては、特
にＹ、！０３の低添加量域では４００°Ｃ〜ｓｏｏ’ｃ
の範囲に相転位が分布して存在し、特定の温度で異常に
膨張係数が大きくなる領域がある。

他方でヒータ素子のアルミナ材は、半導体の集積回路用
として広く使用されているために、規格の特性の制限を
受けて膨張係数も８０Ｘ１０−７／　’Ｃのものが一般
に使用されている。また、アルミナ材にはイツトリア安
定化ジルコニア材のような相転位は存在せず、常温から
１０００°Ｃまでは膨張係数はほぼ単調増加特性を示し
ている。

さらに、枠体及び検出素子を形成するための安定化ジル
コニアグリンシート及びヒータ素子を形成するためのア
ルミナグリンシートの作成に際しては、キヤステング性
を向上させるためにそれぞれ異なる溶剤、バインダ、可
塑材及び分散剤が、それぞれに対応した比率で混入され
る。

このために、安定化ジルコニアグリンシート及びアルミ
ナグリンシートでは前述せる溶剤等の種類及び比率で、
その収縮率が変化している。

前記の文献に記載されている酸素濃度検出器においては
、アルミナ材の膨張係数を考慮してジルコニア材のＹ２
Ｏ３の添加量を設定し、さらにアルミナ材及びジルコニ
ア材に混入する溶剤、バインダ、可塑剤及び分散剤の種
類と比率を考慮し且つ恒温槽内での修正操作を行なって
、アルミナ材とジルコニア材の膨張係数差と収縮率差に
基づく、検出素子とヒータ素子との圧着焼成時の割れや
剥離を防止することが必要である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述せるように、イツトリア安定化ジルコニア材では、
Ｙ２Ｏ３の低添加量域で４００　　°Ｃ〜８００　。

Ｃの温度範囲に相転位が存在し、膨張係数が大きくなる
ので、常温から１０００’Ｃまで膨張係数が単調増加す
るアルミナ材と膨張係数差を合わせることは極めて難し
い。

また、イツトリア安定化ジルコニア材とアルミナ材との
収縮率を、両者の接合圧着直前に一致させるための恒温
槽内での修正操作も簡単ではない。

この場合、例えば１５％の設定収縮率を得ようとし、ア
ルミナ材の収縮率が１５％、イツトリア安定化ジルコニ
ア材の収縮率が１８％であるとすれば、ジルコニア材に
ついては予め恒温槽で所定の温度と時間を設定して、最
終収縮率１５％を実現する必要がある。

しかし、この修正操作は恒温槽内の温度分布及び積層時
までの室内環境条件の影響を受けるために、ばらつきが
生じ易くこのばらつきが焼成時の割れや剥離の原因とな
ることがある。

また、前記せる文献に記載されている酸素濃度検出器で
は、枠体を形成するイツトリア安定化ジルコニアシート
、検出素子及びヒータ素子が、積層方向に対称でないた
めに、熱変形歪みが生してそりが起りこれが原因で割れ
や剥離につながるおそれもある。

さらに、検出素子には触媒作用を活かすために白金電極
を使用しているが、イツトリア安定化ジルコニアシート
に１〜３μｍの厚みに着膜形成される白金電極は、不活
性ガス或は酸化雰囲気で１５００°Ｃで焼成可能である
。然るに、ヒータ素子でアルミナにタングステンで発熱
体と導出電極部を印刷しても、その焼成は還元ガス雰囲
気で１６００°Ｃで行なわねばならない。このような焼
成温度と焼成雰囲気の差のために、ヒータ素子にも白金
で発熱体と導出電極部を形成しなくてはならない。

この場合、導出電極部は抵抗値を下げるために幅広に形
成する必要があり、ヒータ素子部分の製造費用が全体の
６０％をも占めるという難点もある。

本発明は前述せるようなこの種の酸素濃度検出器の現状
に鑑みてなされたものであり、その目的はイツトリア安
定化ジルコニア材部分とヒータ素子部分との接合圧着個
所をなくして、画材の膨張係数の差による割れや剥離の
発生を防止し、検出素子とヒータ素子を別体に焼成形成
することにより、両者の焼成収縮率を合わせる修正操作
をなくし且つヒータ素子の発熱体及び導出電極部に例え
ばタングステンを使用して製造費用を低減させることも
可能な酸素濃度検出器を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前述せる目的を達成するために、本発明では固体電解質
シートの両面に標準電極と検出電極がそれぞれ形成され
た検出素子とヒータ素子とが枠体に組込まれ、被検出ガ
ス中の酸素濃度を前記固体電解質シート内のイオンの移
動により検出する酸素濃度検出器において、前記枠体は
複数のシートが積層一体化されて形成され、前記シート
及び固体電解質シートはイツトリア安定化ジルコニアで
形成され、前記枠体にヒータ挿入凹部が形成され、該ヒ
ータ挿入凹部に別体形成されたヒータ素子が挿入固定さ
れた構成となっている。

〔作用〕

本発明ではイツトリア安定化ジルコニアで形成されたシ
ートが積層一体化されて構成される枠体に、ヒータ挿入
凹部が形成され、このヒータ挿入凹部に別体形成された
ヒータ素子が挿入固定されている。このために、ヒータ
素子はイツトリア安定化ジルコニア材との接合圧着部分
がない状態で、ヒータ挿入凹部に収容される。

従って、イツトリア安定化ジルコニア材とヒータ素子材
間の膨張係数差による、割れや剥離の発生がなく、イツ
トリア安定化ジルコニア材とヒータ素子材の焼成収縮率
を合わせる修正操作も不要となる。

また、ヒータ素子の発熱体及び導出電極部を、例えばタ
ングステンで形成することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を、その製造方法に基づいて第１図
乃至第５図を用いて詳細に説明する。

ここで、第１図は本発明の実施例の要部の構成を示す断
面図、第２図は第１図のに−に断面図、第３図は本発明
の実施例における枠体と検出素子部分の構成を示す分解
斜視図、第４図は本発明の実施例におけるヒータ素子部
分の構成を示す分解斜視図、第５図は本発明の実施例の
構成を示す断面図である。

本発明の実施例において、枠体を形成し或は検出素子を
形成する第３図Ａ乃至Ｇに示ずような形状のグリンシー
トを得るために、厚さ０．２５ｍｍ幅５１１のグリンシ
ート原板が、以下のようにして形成される。

このために、イツトリア（Ｙ２０３）　５　ｍｏ１％を
含有するジルコニア（ＺｒＯｚ）に、溶剤、バインダ、
可塑剤及び分散剤を混合して混練機によりスラリを作成
し、このスラリをキヤステング装置にかけて、厚さ０．
２５ｗ幅５ｆｌ長さがほぼ５０ｍｍのグリンシート原板
を作成する。

第３図に示すグリンシートＡ、Ｅ及びＧは、前述せるよ
うにして得られたグリンシート原板がそのままの形状で
使用される。また、グリンシートＢには一端側から長方
形状の大気導入口４が形成され、グリンシートＤには一
端側からスリット状の被検出ガス導入口５とこの被検出
ガス導入口５に連続して、長方形状のセンシングホール
６が形成される。

さらに、グリンシートＦには一端側から長方形状のヒー
タ挿入凹部７が形成される。

グリンシー＋−Ｃの表面には例えば３μｍの厚みに、所
定形状の白金の標準電極２ａが印刷の手段で形成され、
裏面には同一厚みで所定形状の白金の検出電極２ｂが印
刷の手段で形成され、室温下で２時間乾燥されて検出素
子１が得られる。

次に、第３図に示すように各グリンシートと検出素子１
とを多層に積層し加圧一体化する。

この場合、互いに隣接する層間の積層は７０°Ｃにおい
て２ｋｇ　／　ｃｆｆｌの加圧を５分間行なう。さらに
全層を積層した状態で、８０°Ｃにおいて１０ｋｇ／　
ｃＡの加圧を１５分間行ない、外形の整形プレスを行な
う。

この状態で脱脂処理のために、１６Ｃ／分の昇温速度で
昇温し、温度１４０°Ｃに３０分保持し、さらに１°Ｃ
／分の昇温速度で昇温し、温度３００　。

Ｃに達したら自然冷却させる。

このようにして脱脂処理を行なった後に、大気中で１５
０°Ｃ／時間の昇温速度で１５００°Ｃまで昇温し、温
度１．５００　’　Ｃで１時間保持後に自然冷却させて
焼結処理を行なう。

前述のような焼結処理を行なうことにより、イツトリア
がドープされているジルコニアは、低温まで安定な正方
晶系の安定化ジルコニアとなり、酸素の空格子点が生し
て酸素イオンの移動が可能な状態となる。

次に、不活性ガス雰囲気中で９００°Ｃの温度下におい
て、Ｎｉリード線１３．１４を銀ローを介して第１図に
示すように、標準電極２ａ及び検出電極２ｂに固定し接
合部はガラス１５で包埋すると共に枠体３に固定する。

なお、前述せる製造工程において、グリンシー）Ａ、Ｂ
、Ｅ、Ｆ及びＧの長さは、グリンシートＣ及びＤの長さ
よりも短かくなるように加工されていて、枠体３への組
付は状態において検出素子１の端部は大気導入口４より
僅かに突出して配設された状態となっている。

前述せるヒータ挿入凹部７に挿入固定されるヒータ素子
は、次のようにして製造される。

９９％のアルミナ（Ａ／２２０３）の粉末に、溶剤、バ
インダ、可塑剤及び分散剤を混合して混練機によりスラ
リを作成し、このスラリをキヤステング装置にかけて、
厚さが０．１２５龍幅３１のグリンシート原板を作成す
る。

このグリンシート原板から、長さがほぼ４７１１のグリ
ンシート２０とこのグリンシート２０よりもやや短かい
グリンシート２１を形成する。

前述せるグリンシート２０に対して、タンゲステンベー
ストの印刷により発熱体９と導出電極部９ａとを着膜形
成して、室温下で１０時間乾燥する。この乾燥処理後に
グリンシート２１を積層し、温度８０°Ｃで２　ｋｇ　
／　ｃａの圧力で１０分間圧着する。

その後に外形の整形プレスを行ない、脱脂処理のために
、１°Ｃ／分の昇温速度で昇温し、温度１４０°Ｃに３
０分保持し、さらに１°Ｃ／分の昇温速度で昇温し、温
度３００°Ｃに達したら自然冷却させる。

このようにして脱脂処理を行なった後に、水素ガスまた
は、水素ガスと窒素ガスの混合ガス中で、１５０°Ｃ／
時間の昇温速度で１６００°Ｃまで昇温し、温度１６０
０’Ｃで１時間保持後に自然冷却させて焼結処理を行な
う。

次に、不活性ガスまたは還元ガス中で、Ｎｉリード線１
１．１２を電極引出部９ｂに銀ローを介して、第４図に
示すように固定し、接合部はガラスによりオーバコート
処理する。

このようにして、第４図に示すようにグリンシ−ト２０
及び２１が積層一体化されたヒータ素子８が形成される
。このヒータ素子８が、前述せる枠体３に形成されてい
るヒータ挿入凹部７に挿入固定されている。

実施例においては、第１図及び第２図に示すように、ヒ
ータ素子８の周面にアルミナ絶縁粉１０を配してヒータ
素子８をヒータ挿入凹部７に挿入し、ヒータ素子８と挿
入凹部７間にはアルミナ絶縁粉１０が充填された状態と
されている。このアルミナ絶縁粉１０は突固めないで、
ヒータ素子８とヒータ挿入凹部７間に均一に充填され、
ヒータ挿入四部７の開口部分には膨張係数８０Ｘ１０−
７／　０Ｃの硼硅酸ガラスが充填され、大気中で１．１
００　’Ｃの温度で１時間溶融封止処理が行なわれてい
る。

本発明の実施例においては、全体が第５図に示すように
金属筒１７に粉体１８とガラス１９を介して固定され、
さらに保護筒を有する栓体２２に固定され、リード線の
中継部にパツキン２３がかふされ、外筒２４によって栓
体２２に固定された状態で使用される。

以上のような構成の本発明の実施例の動作を、次に説明
する。

枠体３のヒータ挿入凹部７に収容されているヒータ素子
８に通電が行なわれると、発熱体９が発熱し枠体３の温
度が上昇し、検出素子１の温度も上昇する。

この検出素子１はイツトリア安定化ジルコニアの固体電
解質シートの温度がほぼ６００°Ｃを越えると、固体電
解質シートが酸素イオン導電体として作動する。

然して、第５図の外筒２４に形成された開口２５から、
ガラス１９に埋込まれている通管２５ａを通って大気導
入口４から大気が標準電極２ａと接触する。一方、被検
出ガス導入口５からセンシングホール６内に導入される
排気ガスなどの被検出ガスが、検出電極２ｂと接触する
。

このために、標準電極２ａと検出電極２ｂでの酸素の圧
力差に基づいて、検出素子１の固体電解質シートに酸素
イオンの移動が生じ、被検出ガス中の酸素濃度を測定す
ることが出来る。

ｂ ヒータ素子８と挿入凹部７間に充填されているアルミナ
絶縁粉１０は、ヒータ素子８の熱を枠体３に速やかに伝
達する熱伝導体として作用すると共に、ヒータ素子８の
通電で生じる漏洩電流を防止する絶縁体としての機能も
有する。

即ち、温度が上昇するとイツトリア安定化ジルコニアの
電気抵抗が低下ｙるので、ヒータ素子８からの漏洩電流
が検出素子１に流れ込むことが、アルミナ絶縁粉１０に
よって防止される。

このために、アルミナ絶縁粉１０の存在によって、ヒー
タ素子８からの漏洩電流が検出素子１に流れ込んで検出
出力の精度が低下することがなくなる。

また、ヒータ素子８が加熱によって変位しても、その周
面に充填されているアルミナ絶縁粉１０が移動すること
により、ヒータ素子８の変位が吸収されるので、アルミ
ナ絶縁粉１０は緩衝材としての機能を発揮して、ヒータ
素子８の割れが防止される。

前述せるように、イツトリア安定化ジルコニアで形成さ
れる枠体３及び検出素子１と、アルミナで形成されるヒ
ータ素子８とは、それぞれ別体で焼成されるので両者の
焼成収縮率を合わせる修正操作が不要であり、製品の歩
留まり低下の問題は解決される。さらに、構造上イツト
リア安定化ジルコニア材とアルミナ材との直接接合圧着
部分がないので、両者の膨張係数の差による割れや剥離
の発生が防止される。

また、枠体３及び検出素子１とヒータ素子８が別体で焼
成形成されるので、ヒータ素子８の発熱体９と導出電極
部９ａに白金を用いずに、例えばタングステンのような
安価な金属が使用出来るため、全体の製造費用をほぼ６
０％低減することが可能である。

さらに、実施例では全体の形状がシートの積層方向で対
称形であるために、加熱時の熱応力によるそりが殆んど
なく、熱衝撃に対しての耐久性が向上する。

実施例においては、ヒータ素子が発熱体の形成されたア
ルミナ基板上にアルミナシートが積層された構成のもの
を説明したが、ヒータ素子は実施例のものに限らず、発
熱体をポリイミドなどの有機系フィルムで挟持してアル
ミナ絶縁粉と共にヒータ挿入凹部内に挿入後に有機系フ
ィルムを焼却した構成のものとすることが出来る。或は
、発熱体に有機物或は無機物をコーティングしたものを
、アルミナ絶縁粉と共にヒータ挿入凹部内に挿入収容し
た構成のものとすることも出来る。

〔発明の効果〕

本発明によると、枠体及び検出素子とヒータ素子とが別
体で焼成されるために、両者の焼成収縮率を合わせる修
正操作が不要であり、工数が削減されると共に収縮率の
ばらつきによる製品の歩留まり低下をなくすることが出
来る。また、検出素子とヒータ素子とが別体で焼成され
るので、ヒータ素子の発熱体に白金を用いる必要がなく
、製造費用が大幅に低減する。

さらに本発明によると、構造上イツトリア安定化ジルコ
ニア材とヒータ素子との直接接合部分がないために、両
者の膨張係数差による割れや剥離での不良品の発生が防
止され、シートの積層方向で対称な形状とすることで、
加熱によるそりが減少して熱衝撃に対する耐久性も増大
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の要部の構成を示す断面図、第
２図は第１図のに−に断面図、第３図は本発明の実施例
における枠体と検出素子部分の構成を示す分解斜視図、
第４図は本発明の実施例におけるヒータ素子部分の構成
を示す分解斜視図、第５図は本発明の実施例の構成を示
す断面図である。 １−−−−−−一検出素子、２ａ−−−−−−一標準電
極、２ｂ−一一一一一一検出電極、３−一一一−−枠体
、４−＝−−−−大気導入口、５−−被検出ガス導入口
、６−−−−−−センシングホール、７−−−−−−−
ヒータ挿入凹部、８−−−−−−ヒータ素子、９−−発
熱体、９　ａ−−−一導出電極部、９　ｂ−一−−−電
極引出部、１０−−−−−アルミナ絶縁粉、１１　、　
１２−−−−−−Ｎｉリード線、１３　、　１４−−−
−−−−　Ｎ　ｉリード線、１５−一一一一一−ガラス
、１７−−−−−−金属筒、１８−−−−−一粉体、１
９−−−−−一−ガラス、２０−−−−−−グリンシー
ト、２１−−−−−−−グ第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固体電解質シートの両面に標準電極と検出電極がそ
   れぞれ形成された検出素子とヒータ素子とが枠体に組込
   まれ、被検出ガス中の酸素濃度を前記固体電解質シート
   内のイオンの移動により検出する酸素濃度検出器におい
   て、前記枠体は複数のシートが積層一体化されて形成さ
   れ、前記シート及び固体電解質シートはイツトリア安定
   化ジルコニアで形成され、前記枠体にヒータ挿入凹部が
   形成され、該ヒータ挿入凹部に別体形成されたヒータ素
   子が挿入固定されてなることを特徴とする酸素濃度検出
   器。 ２、枠体が複数のシートの積層方向において対称形であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の酸素濃
   度検出器。 ３、ヒータ素子が発熱体の形成されたアルミナ基板上に
   、アルミナシートが積層された構成であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検出器。 ４、ヒータ素子は発熱体を挟持した有機系フィルムが、
   ヒータ挿入凹部内において焼却されてなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検出器。 ５、ヒータ素子の挿入固定が、ヒータ素子とヒータ挿入
   凹部間に無機物粉体が充填されて行なわれてなることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか
   に記載の酸素濃度検出器。 ６、ヒータ素子が挿入されたヒータ挿入凹部が、ガラス
   で溶融封止された構成であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記載の酸素濃度検
   出器。